8219

20

,

где k– поправочный коэффициент.

При точном изготовлении прибора разность его показаний будет равна разности показаний тарировочной машины, и тогда поправочный коэффициент k=1.

В общем случае поправочный коэффициент равен

.

Поправочный коэффициент представляет собой действительную цену одного деления шкалы. Поправочный коэффициент должен находиться в пределах k=1,00 ± 0,10.

Умножая разность отсчетов поверяемого прибора на поправочный коэффициент k, получим действительную деформацию исследуемого элемента конструкции:

.

Все приборы, предназначенные для измерения деформаций строительных конструкций, их элементов, моделей и образцов материалов, находящихся в частом употреблении, могут менять свое увеличение, так как отдельные части их снашиваются, в результате чего изменяется передаточное число и поправочный коэффициент приобретает другое значение.

Все измерительные приборы, как правило, необходимо периодически поверять на тарировочных машинах и каждый раз вновь вычислять поправочный коэффициент. Кроме вычисления поправочного коэффициента определяется также вариация показаний прибора, характеризующая устойчивость его показаний. С этой целью прибор устанавливается на тарировочной машине и лимб ее десять раз приводится на одно и то же деление, причем каждый раз берется отсчет по поверяемому прибору. Вариация показаний определяется как разность между наибольшим и наименьшим значениями из десяти показаний по шкале поверяемого прибора. Допускаемая вариация показаний прибора не должна превышать цены одного деления шкалы.

В паспорте на каждый механический измерительный прибор должны быть указаны даты и результаты поверок: величины поправочных коэффициентов и вариаций показаний прибора.

Сущность метода электротензометрии

Тензорезисторами называют электрические преобразователи (датчики), с помощью которых определяют относительные деформации по изменению омического сопротивления R проводника, наклеиваемого на исследуемую конструкцию.

Электрическое сопротивление тензодатчика вычисляют по формуле

,

где R – сопротивление тензорезистора;

ρ– удельное сопротивление материала решетки; l – суммарная длина проводника тензорезистора; S – площадь поперечного сечения проводника.

Изменение омического сопротивления проводника происходит в соответствии с деформациями исследуемой конструкции, т.е. изменением длины проводника. Наибольшее распространение получили проволочные тензорезисторы.

Проволочный тензорезистор (рис. 12) представляет собой тонкую проволоку 1 из константана или нихрома диаметром 0,02-0,05 мм, изогнутую в виде спирали с базой b и наклеенную на специальную бумагу (подложку) 2 из тонко-изоляционного материала. К концам этой проволоки припаяны выводы 3 из более толстой проволоки, к которым присоединяются провода. Датчик прочно приклеивается к поверхности конструкции и в дальнейшем деформируется с волокнами материала. Решетка тензорезистора при удлинении элемента удлиняется, при укорочении – укорачивается. Деформация исследуемого элемента вызывает изменение омического сопротивления проволоки, которое регистрируется специальной измерительной аппаратурой, присоединенной к

21

электрическим выводам.

Рис. 12. Тензорезистор

Для приклеивания датчиков к конструкции используются клеи: БФ-4, БФ-2, ацетонцеллулоидный и другие. Перед наклейкой датчиков поверхность конструкции необходимо подвергнуть специальной обработке. Металл зачищают до блеска напильником или наждачной бумагой, а затем обезжиривают ацетоном или спиртом. Бетон тщательно выравнивают наждачной бумагой, заделывают поры гипсом, затем промывают и просушивают, после чего укрепляют поверхность последовательным наложением 2-3 слоев клея.

Основной характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности

,

где R/R – относительное изменение сопротивления тензорезистора; l/l = ε – относительная деформация элемента.

Коэффициент тензочувствительности k отражает линейную зависимость между величиной R/Rи измеряемой относительной деформацией ε. Значение коэффициента k для различных типов тензорезисторов зависит от свойств тензопроволоки, материала основы, соединяющего клея,

условий изготовления и лежит в пределах k= 1,8 – 2,2.

Тензорезисторы изготавливают с базой 1-200 мм и начальным омическим сопротивлением

80-400 Ом.

В процессе деформирования тензорезистор изменяет свое сопротивление в весьма малых пределах (2-3 %). Это изменение измеряется специальной регистрирующей аппаратурой. В настоящее время применяют автоматические измерители деформаций АИД-2М, АИД-4 и др. Цена деления шкалы этих приборов равна 1·10-5 единиц относительной деформации.

Основой прибора является измерительный мост Уитстона, схема которого показана на рис.

13.

Рис. 13. Схема моста Уитсона

22

Активный тензорезистор Ra, наклеиваемый на конструкцию и измеряющий относительную деформацию исследуемой поверхности, составляет одно плечо моста АВ (см. рис. 13). В другое плечо ВС включается компенсационный тензорезистор Rk, предназначенный для автоматической компенсации температурных деформаций. Он располагается рядом с активным, но наклеивается на небольшой участок поверхности конструкции, не подвергающийся силовым воздействиям.

Сопротивления тензорезисторов R1 и R2, вмонтированных в приборе в качестве плеч АD и DС, в небольших пределах могут изменяться с помощью реохорда гальванометра Г. При измерениях производят балансировку моста, т.е. добиваются нулевого показания гальванометра, поэтому данный способ называется методом нулевого отсчета.

Баланс моста наступает в тот момент, когда между сопротивлениями четырех плеч устанавливается соотношение

.

Соответствующее значение по шкале реохорда записывается. После загружения конструкции сопротивление активного тензорезистора изменяется на Ra , вследствие чего баланс нарушается и стрелка гальванометра сходит с нуля. Тогда производят вторую балансировку, меняя сопротивление тензорезисторов R2(R1) и устанавливая стрелку гальванометра в нулевое положение. Соотношение сопротивлений, которые при этом устанавливаются, выражается следующей зависимостью:

.

Относительное изменение сопротивления активного тензорезистора Ra/Ra, характеризующее деформацию, определяется разностью отсчетов по шкале реохорда при первой и второй балансировках. Шкала реохорда градуируется в единицах относительной деформации ε.

Тарирование тензорезисторов

При тарировании (поверке) измерительных приборов, осуществляемом на специальных тарировочных машинах, производится уточнение технико-метрологических характеристик этих приборов.

Тарирование проволочных тензорезисторов сводится к определению коэффициента тензочувствительности k, вычисляемого по формуле (2).

Тарирование тензорезисторов осуществляют, как правило, выборочно. Из партии тензорезисторов с одинаковыми значениями омического сопротивления берут для тарирования обычно 5 % от общего количества. Результаты тарирования выбранного количества тензорезисторов распространяются на всю партию.

Тензодатчики наклеивают на тарировочное устройство, которое с высокой точностью может задавать деформации. Датчик подключают к прибору и, сопоставляя задаваемую деформацию с показаниями индикатора, определяют цену деления прибора или технико-метрологические характеристики тензорезисторов.

В качестве тарировочного устройства используют металлическую упругую балку, которую загружают так, чтобы она имела зону чистого изгиба, для этого используют тарировочный прибор модели ТА-12, схема которого показана на рис.14.

23

Рис. 14. Схема тарировочного прибора

Основным элементом этого прибора является стальная планка 2 с постоянным сечением b×h и длиной l. Планка представляет собой шарнирно-опертую свободно лежащую балку пролетом l с консолями длиной a. На концы консоли при помощи рычага 3 передается нагрузка Р.

На участке планки длиной l действует постоянный изгибающий момент, а следовательно, и постоянные поверхностные деформации. Для планки, деформированную ось которой можно представить дугой окружности радиусом r, при малых значениях прогибов (при у'' = 1/r) справедливы следующие уравнения:

; ;

откуда следует, что

,

где у – прогиб планки посередине пролета l; l –длина зоны чистого изгиба;

h – высота сечения балки.

Прогиб балки y измеряют индикатором часового типа 1 с точностью до 0,01 мм. Тензорезисторы, подлежащие тарированию, наклеивают в пределах пролета l планки на

нижнюю и верхнюю поверхности планки и поочередно подключают к измерительному прибору. Схема тарирования тензорезисторов показана на рис. 15.

Рис.15. Схема тарирования тензорезисторов:

1 – индикатор; 2 – тарировочная балка; 3 – измерительный прибор АИД-2М; 4 – переключатель; 5 – тензорезисторы

24

Раздел 3. Неразрушающие методы испытания

Методы определения прочности бетона.

Прочность бетона в строительных конструкциях определяют в соответствии с ГОСТ 22690– 2015 механическими методами неразрушающего контроля, основанными на предварительно установленных градуированных зависимостях между прочностью бетонных образцов и косвенными физическими характеристиками прочности.

В зависимости от применяемого метода косвенными характеристиками прочности являются:

–значение отскока бойка от поверхности бетона (или прижатого к ней ударника);

–параметр ударного импульса (энергия удара);

–размеры отпечатка на бетоне (диаметр, глубина и т.п.);

–значение напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве приклеенного к нему металлического диска и равного усилию отрыва, делённому на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска;

–значение усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции;

–значение усилия местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства. Упомянутые методы механического контроля применяются для определения прочности бе-

тона всех видов нормируемой прочности, контролируемых по ГОСТ 18105–2018, а также для определения прочности бетона при проведении обследования строительных конструкций и обработке при контроле качества.

Для данной лабораторной работы по определению прочности бетона рекомендуется метод упругого отскока. Предельные значения прочности бетона, определяемые по этому методу, равны

5≤RH≤50,

где RH – прочность бетона на сжатие.

Применяемый инструмент.

Приборы для определения прочности бетона по косвенным характеристикам, должны пройти метрологическую аттестацию по ГОСТ Р 8.568-97* и отвечать следующим требованиям:

1.Твёрдость ударника, бойка или индентора HRCЭ, не менее 51.

2.Шероховатость контактной части ударника или индентора, не более 10.

3.Диаметр ударника или индентора, мм, не менее 10.

4.Допуск перпендикулярности при приложении нагрузки на высоте 100 мм составляет 4 мм.

5.Энергия удара, Дж, не менее 0,7.

Всем этим требованиям отвечает склерометр СД-I, выпускаемый НПО «Дальстандарт» (г. Хабаровск). Прибор предназначен для определения прочности бетона на сжатие в диапазоне 5–40 МПа в бетонных и железобетонных конструкциях методом упругого отскока по ГОСТ 22690–

2015.

Установление градуировочной зависимости «косвенная характеристика – прочность»

Для определения прочности бетона в конструкциях предварительно устанавливают градуировочную зависимость между прочностью бетона на сжатие и высотой отскока бойка склерометра от поверхности бетонной конструкции. Установка градуировочной зависимости осуществляется путём параллельных испытаний контрольных кубов бетона склерометром и в прессе по ГОСТ

10180–2012.

Для установления градуировочных зависимостей используют не менее 15 серий образцов кубов или не менее 30 отдельных образцов кубов. Образцы изготавливают по ГОСТ 10180–2012 в разные смены в течение не менее 5 суток из бетона одного состава при той же технологии и при том же режиме тепло влажностной обработки или тех же условиях твердения, что и конструкции, подлежащие контролю.

Размеры образцов для установления градуировочной зависимости в соответствии с ГОСТ 10180-2012 должны быть не менее 100×100×100 мм, которые затем испытываются.

Методика установления градуировочной зависимости и оценка её погрешности принимаются в соответствии с ГОСТ 22690-2015.

25

Уравнение зависимости «косвенная характеристика-прочность» принималось линейным:

,

где R – прочность бетона на сжатие, МПа;

H – косвенная характеристика (отсчёт по шкале прибора).

Коэффициенты a0и a1 рассчитывались по формулам ГОСТ 22690–2015 с учётом требований сейсмической обработки результатов испытаний.

Уравнение градуировочной зависимости для бетона конструкций, выглядит следующим образом:

.

Эта же зависимость может быть представлена графиком (рис. 16).

Рис. 16. График градуировочной зависимости

Проведение испытаний

Испытания проводят на участке конструкции площадью от 100 до 600 см2.

При проведении испытаний необходимо руководствоваться следующими требованиями:

1.Число испытаний на участке должно быть не менее 5.

2.Расстояние между местами испытаний – 30 мм.

3.Расстояние от края конструкции до места испытания – 50 мм.

4.Толщина конструкции – 100 мм.

5.Расстояние от места проведения испытания до арматуры должно быть не менее 50 мм. Для проведения испытаний используют железобетонные балочки, отвечающие тем же тре-

бованиям, что и кубы-образцы, используемые для построения градуировочной зависимости. Испытания проводят в следующей последовательности:

–Прибор располагают так, чтобы усилие прикладывалось перпендикулярно к испытываемой поверхности в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

–Положение прибора при испытании конструкции относительно горизонтали принимают таким же, как при испытании образцов для установления градуировочной зависимости; при другом положении необходимо вносить поправку на показания в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

–Значение косвенной характеристики фиксируют в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

–Среднее значение косвенной характеристики вычисляют на участке конструкции.

Раздел 4. Акустические методы контроля конструкций и материалов.

Использование ультразвука при испытании строительных материалов и конструкций

Цель работы – познакомить студентов с техникой ультразвукового контроля качества бетона, в частности определения прочности бетона и модуля его упругости, а также определения глубины распространения трещины в бетоне. Кроме того, дает возможность изучить аппаратуру и методику ультразвукового контроля сварных соединений в соответствии с действующими стандартами и нормами.

26

Оценка физико-механических характеристик бетона

Импульсный ультразвуковой метод при исследовании бетона нашел самое широкое применение. Он особенно удобен в условиях заводского производства различного рода изделий и деталей. Так, в процессе тепловлажностной обработки можно вести непрерывный контроль нарастания прочности бетона по скорости ультразвука. Импульсный метод позволяет дополнить выборочный контроль качества бетона по результатам испытания образцов массовой проверкой выпускаемой продукции. Испытания импульсным методом могут быть повторены сколько угодно раз на одних и тех же изделиях(образцах) без разрушения или повреждения последних и не требуют их специальной подготовки. Импульсный ультразвуковой метод позволяет определять ряд физических характеристик бетона: прочность на сжатие Rсж, динамический модуль упругости Еg структурные изменения бетона, глубину поверхностных трещин.

Определение прочности бетона

Ультразвуковым методом по СТО36554501-009-2007 находят прочность тяжелых бетонов и бетонов на пористых заполнителях, а также ячеистых и плотных силикатных бетонов. Испытание состоит в измерении времени распространения ультразвука и базы прозвучивания. По измеренным величинам рассчитывают v, а затем по зависимости «v-Rсж» – определяют прочность бетона. Основные характеристики ультразвуковых импульсных приборов, используемых для прозвучивания бетона, приведены в табл. 2.

Поверхность бетона, на которой устанавливают щупы (ультразвуковые преобразователи), не должна иметь наплывов и вмятин, а также раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм. Для обеспечения надежного акустического контакта между бетоном и рабочей поверхностью щупов применяют вязкие контактные среды(смазки) или эластичные прокладки. При испытаниях конструкций и образцов, применяемых для построения зависимости «v-Rсж», должна использоваться одинаковая контактная смазка. Измерение базы прозвучивания производят с погрешностью не более ±0,5 %. При испытании кубов прозвучивание ведут в направлении, перпендикулярном укладке бетонной смеси в форму. Определение производится в кубах на трех уровнях по высоте, при этом разброс не долженпревышать5 %.

Время t распространения ультразвука может измеряться как способом сквозного, так и поверхностного прозвучивания. Для первого способа Rсж определяют по предварительно полученной градуировочной зависимости «v-Rсж»; для второго способа– по зависимости «t-Rсж». Значение v, в м/с вычисляют по формуле:

28

Примечание. Зависимостью можно пользоваться при исследовании бетонов на портландцементе, сурском песке, гранитном щебне, прошедших тепловлажностную обработку, возраста до10 лет. Выполнение указанных требований обеспечивает оценку прочности бетона конструкций с погрешностью не более15 %.

Определение динамического модуля упругости бетона

Данные о скорости прохождения через бетон продольных ультразвуковых волн позволяют определить динамический модуль упругостибетона, н/см2, по формуле

где v – скорость продольных ультразвуковых волн, см/с; γ– объемная масса бетона, г/см3;

K – эмпирический коэффициент, определяемый для массивного бетона по формуле

где µст– коэффициент Пуассона, статический; µд– коэффициент Пуассона, динамический, находится по табл. 3.

Раздел 5. Ультразвуковая дефектоскопия строительных конструкций.

Определение глубины трещин в бетоне

Метод измерения глубины трещин по снижению скорости ультразвука основан на почти полном отражении импульсов от трещины, наполненной воздухом; таким образом, первым импульсом, прошедшим в звукоприемник, является импульс, который дифрагировал у дна трещины. Способ расположения щупов показан на рис. 19.

Рис. 19. Определение глубины трещины в бетоне способом поверхностного прозвучивания: 1 – звукоизлучающий щуп; 2 – звукоприемный щуп; У – глубина трещины

Если щупы находятся на равных расстояниях х от середины трещины(участок а-б), то можно определить время(мкс), затраченное на то, чтобы дифрагирующий импульс обошел вокруг дна трещины, по формуле

29

t

Время распространения импульса вдоль поверхности неповрежденного бетона того же состава (участок в-г) принимают за t0, тогда

.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что глубину трещины можно определить из выражения

;

где

t1– время распространения импульса на участке с трещиной, мкс; t0– то же, на участке без трещины, мкс;

2х– акустическая база, т.е. расстояние между щупами, см.

Определение структурных изменений бетона при его нагружении

Если бетонный элемент, испытывающий воздействие осевой сжимающей нагрузки, прозвучивать ультразвуком в направлении, перпендикулярном действию силы, то можно заметить, что скорость ультразвука изменяется в зависимости от интенсивности нагрузки. В начале загружения за счет обжатия бетона скорость ультразвука обычно возрастает. По мере того, как увеличивается трещинообразование в бетоне, прирост скорости ультразвука уменьшается, а затем его скорость начинает падать. Структурные изменения бетона принято характеризовать нижней границей трещинообразования Rт0, которой соответствует vmax. Методика эксперимента сводится к следующему.

Образец с закрепленными на нем щупами становится на нижнюю подушку пресса и центрируется по геометрической оси (рис. 20).

Рис. 20. Схема испытания образца при его одноосном сжатии: 1 и 2–ультразвуковые щупы

Непосредственно перед загружением образца определяется время прохождения через него